堆載預壓法加固深厚軟土地

摘要：簡述了一例使用堆載預壓法（設置塑料排水板）加固深厚軟土地基的過程，通過理論計算和試驗數據的對比說明了該地基處理方法的優點。

關鍵詞：堆載預壓法、有效應力、Barron解、塑料排水板

一、理論基礎

堆載預壓法概述：

堆載預壓法是對天然地基，或先在地基中設置砂井（袋裝砂井或塑料排水帶）等豎向排水體，然后分級逐漸加載；使土體加速固結。堆載預壓法能解決軟粘土地基的沉降和穩定問題。可使地基的沉降在預壓期間基本完成或大部分完成，保證建筑物在使用期間不致產生過大的沉降和沉降差。同時可增加地基土的抗剪強度，提高地基的承載力和穩定性。堆載預壓法是由排水系統和加壓系統兩部分共同組合而成的。

圖1堆載預壓法的原理示意圖

預壓荷載計算（有效應力法） ：

（1）利用地基的天然抗剪強度估算第一級容許施加的荷載。

①用斯開普頓極限荷載半經驗公式計算：

②對于飽和軟粘土可采用下式估算：

（2）估算加荷速率和預壓固結時間。

控制加荷速率 ≤4～8kPa/d，

（3）計算第一級荷載下地基強度增長值。

（4）計算p1作用下達到所確定固結度需要的時間及p2加載開始時間。

（5）根據（3）所得到的地基強度計算第二級所施加的荷載 。

水平固結系數Ch的推算

Barron解： ，水平固結系數單位為cm2/s。

二、工程實例

1.工程地質概況：廈門七宇鞋業有限公司新建廠房位于廈門市集美區潘涂鎮東咀港的灘涂邊，為典型的濱海相沉積地層。岸灘0.5～1.0m厚的耕殖土下面是很厚的淤泥—淤泥質粉質粘土，其厚度一般為10～15m左右，最厚處達22m；再下為力學性能較好的粉質粘土。根據地質勘察和室內土工試驗表明，淤泥層壓縮性大、含水量高、承載力低；其主要的物理力學性能指標如下：

含水量ω一般在80%以上，最高達到87.6%，天然重度γ為14.63KN/m3，比重G為2.667，孔隙比e達2.557，液限ωL為52.22%，塑性指數Ip為24.64，壓縮模量Es（1-2）為1.416MPa，壓縮系數α（1-2）為2.203（MPa）-1，無側限抗壓強度qu為10.71kPa，三軸不排水剪切強度指標cu為5.33kPa，靈敏度St為2.56，固結壓力為100kPa時，水平方向固結系數ch為1.31×10-3cm2/s，垂直方向固結系數cv為0.73×10-3cm2/s。10m以內深度范圍的十字板剪切強度指標為6kPa，10～20m深度范圍的十字板剪切強度指標為11kPa。

原灘涂自然地面標高為±0.00m，廠區設計地坪標高為3.7m。考慮到堆載后地基的壓縮沉降而預先抬高堆載高度，估計實際填土厚度要超過4.5m。

2.地基處理方案的確定：

（1）地基處理方案：根據現場十字板剪切資料和預壓荷載計算公式估算，回填土的厚度早已大大超出了淤泥的臨界高度，因此必須對地基進行加固處理。

根據業主的回填要求和場地土的工程力學性能指標，并從經濟、技術、工程、環境影響等各方面綜合考慮后，決定采用堆載預壓方案處理軟弱地基。

通過對廠房具有代表性的地段小規模的現場試驗分析，認為在淤泥層厚度小于7m的地段采用不設豎向排水體的砂墊層分級預壓堆載方案，不僅可大大降低地基處理費用，而且在加荷后200d（即排水后一級堆載完成后的80d），即完成地基土固結度的90%左右，十字板剪切強度可提高至22kPa左右；在淤泥層超過7m地段打設豎向排水體進行超載預壓，對靠近岸邊的7層職工宿舍，由于淤泥層厚度達20m左右，設計單柱荷載較大，為了保證宿舍在投入使用后地基的穩定性并減少地基沉降，可打設正方形布置、間距為1.5m的塑料排水板或袋裝砂井。經過小規模試驗表明，經分級堆載預壓后180天，即最后一級堆載加完100天以后，地基土固結度可達80%左右，十字板剪切強度得到較大提高。對其他軟土地區，采用2.0m間距，正方形布置的塑料排水板或袋裝砂井分級堆載方案。

（2）豎向排水體的選擇：由于場地淤泥的不排水剪切強度指標較低，普通砂井容易產生縮頸、斷頸、側移等質量事故，所以選擇了連續性和完整性較好的袋裝砂井和塑料排水板。通過現場原位試驗檢測現打設所料排水板的區域，處理后十字板剪切強度的增長、空隙水壓力的消散、排水固結效果均比打設袋裝砂井區域理想，而且從施工工藝，工期和技術經濟比較均表明，采用塑料排水板更為有效，最終決定采用塑料排水板作為豎向排水體。

（3）塑料排水板的打設深度的確定：鑒于現場插板機打設深度的限制，且廠區內大于20m深度的淤泥并不很多，因此決定采用泰安塑料研制廠生產的B-Ⅰ型和B-ⅠB型兩種型號的塑料排水板，當淤泥厚度≤15m時，采用B-Ⅰ型；當淤泥厚度>15m時，采用B-ⅠB型。

（4）控制堆載：現場試驗表明，堆載時的堆載速率應控制在空隙水壓力∑Δu/p（p—堆載）在0.5～0.7范圍以內；堆載中心每天的沉降量，第一級堆載控制在30mm/d以內，以后各級控制在20mm/d以內。

（5）砂墊層的設置：砂墊層用中粗砂，洗凈后平鋪于地面，砂墊層厚度0.5m，含泥量控制在3%左右，密度控制在15kN/m3以上。

（6）堆載計劃：根據有效應力法地基抗剪強度增長公式初步制定每層的堆填厚度，再按堆載控制指標進行堆載。場地填筑采用吹填。材料為中粗砂，并要求粒徑≤0.075mm的粉粒含量以干重計不得大于15%，吹填分層進行。

3.地基加固效果分析。圖1和圖2分別為插板間距為1.5m和2.0m處地表沉降區測得的實測沉降過程曲線和堆載曲線。其中虛線為設計堆載過程線。由于實際施工中未嚴格按控制標準進行吹填，實際吹填速度大于設計的要求。圖1中測得在第二層和第三層吹填時最大的日沉降速度為3.5cm，圖2中測得吹填到厚度為3.42m時，最大的日沉降量為4.0cm，均大于設計日沉降速度2.0cm的要求。由于場地吹填速度大于設計要求，除了日沉降量大于設計要求外，個別尚沒有吹填或者吹填很小的測點出現隆起現象，吹填圍堰局部地段出現淺層滑動，地基接近破壞。雖然如此，由于豎向排水體采用了塑料板，它具有較好的抗拉強度和適應抗剪變形的能力，豎向排水通道始終保持通暢。

根據實測沉降資料，利用Barron解可推算出水平向固結系數Ch平均值為1.804×10-3cm2/s，較室內土工試驗值1.31×10-3cm2/s大0.40倍，與設計采用數值1.745×10-3cm2/s比較接近。

圖2 間距為1.50m插板區的堆載過程線和實測沉降過程線

圖3 間距為2. 0m插板區的堆載過程線和實測沉降過程線

4.加固效果：從2011年8月19日開始，并于2012年4月19日結束的觀測表明，場地在平均吹填厚度為4.70m（包括0.5m厚砂墊層）時，場地平均沉降量為1.213m，表明塑料排水板對加快地基在填土自重作用的固結具有明顯的作用。

經現場鉆探和室內土工試驗表明，加固前、后，地基土的物理力學性質指標發生了較大的變化，見表1，地基土得到了加固。

表1 淤泥層物理力學性質變化表

測試階段 天然含水量ω（） 天然重度γ（） 孔隙比 壓縮系數

a1-2（MPa-1）

壓縮模量（） 十字板剪切強度（）

垂直 水平

堆載前 87.612 14.63 2.557 2.203 1.974 1.430 6.0～11.0

堆載后，2012年6月 73.504 15.72 2.023 1.483 1.374 2.075 20.55

堆載后，2012年10月 64.43 16.04 1.784 1.401 1.230 2.234 21.40

三、結論

通過本文工程實例，利用堆載預壓法處理軟弱地基，可以使相對于預壓荷載的地基沉降在處理期間基本消除，同時通過排水固結，加速地基土的抗剪強度的增長，使建筑物在使用期間不會產生過大的沉降或沉降差，提高建筑地基強度及穩定性；對于沿海地區軟弱粘土層上的地基處理，堆載預壓法是一種經濟有效的手段。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設部，《巖土工程勘察規范 GB50021-2001》（2009年版）

[2]中華人民共和國水利部，《土工試驗方法標準 GBT50123-1999》（2007年版）

[3]《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊rM].北京：中國建筑工業出版社，1988

[4]張克恭， 劉松玉. 土力學[ M] . 北京： 中國建筑工業出版社，2001.

[5]左明麒《地基處理實用技術》中國鐵道出版社，2005

作者：王云 工程師 西安 工作單位：中鐵第一勘察設計院集團有限公司引漢濟渭項目部 電話：18717383445

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